一种两步式读出电路和模数转换器制造技术

本发明专利技术提供一种两步式读出电路和模数转换器，涉及红外焦平面阵列技术领域。在粗量化阶段，积分单元对电流进行折叠积分，同时，时序控制开关单元控制计数器开关，导通比较器和所述粗量化计数器之间的回路；粗量化计数器基于折叠积分的结果，确定粗量化转换结果；在细量化阶段，积分单元停止对电流进行折叠积分，时序控制开关单元控制计数器开关，导通比较器和细量化计数器之间的回路；细量化计数器基于折叠积分后的余量电压和细量化阶梯单元，确定细量化转换结果。本发明专利技术的两步式读出电路，一次模数转换的折叠积分次数远远小于传统ADC的折叠积分次数。实现了既能降低模数转换低功耗，又保持了较高精度模数转换，具有较高的实用性价值。

【技术实现步骤摘要】
一种两步式读出电路和模数转换器
本专利技术涉及红外焦平面阵列
，尤其涉及一种两步式读出电路和模数转换器。
技术介绍
红外成像是一种通过探测目标物体的热辐射获得红外成像的探测器技术。其中非制冷红外焦平面阵列探测器在成本、便携性、功耗等方面具有明显优势，因而被广泛应用于夜视、监控、热像测温等军事、民用领域。读出电路的设计一直是非制冷红外焦平面阵列的研究难点和热点，按读出方式可分为模拟读出和数字读出，其中数字读出通过片内集成ADC完成模数转换，模拟信号的传输路径更短，损耗更少，因而相比于模拟读出具有更高的性能。红外焦平面探测器对衬底温度的敏感性以及应用场景的便携性，都对读出电路的功耗尤其是ADC的功耗提出了相当严格的限制。常见的低功耗列级ADC有单斜率ADC、折叠积分ADC等方案，单斜率ADC的转换时间与精度相关，为2NT，在高精度应用场景需要高时钟频率，而由此引入的时钟树等结构将会增加大阵列芯片的设计难度，并且转换精度受斜坡信号发生器精度的影响。而传统基于PFM的折叠积分ADC，其折叠频率不受主时钟频率限制，可以通过减小每次复位的电荷量来提高折叠频率，从而提高精度。但是更高的折叠频率意味着更多的复位次数和更高的功耗，从而存在精度和功耗之间的折衷问题。因而亟需提出一种既能降低模数转换功耗，又可以实现较高精度模数转换的方案。
技术实现思路
本专利技术提供两步式读出电路和模数转换器，提出了一种既能降低模数转换低功耗，又可以实现较高精度模数转换的技术方案。本专利技术实施例第一方面提供一种两步式读出电路，所述电路包括：转换单元、积分单元、比较器、粗量化计数器、细量化阶梯单元、细量化计数器、时序控制单元以及计数器开关；所述转换单元接收红外焦平面阵列中二极管探测器电压和盲端探测器电压，将所述二极管探测器电压与所述盲端探测器电压之间的电压差，转换为对应的电流，传输至所述积分单元；在粗量化阶段，所述积分单元对所述电流进行折叠积分，同时，所述时序控制开关单元控制所述计数器开关，导通所述比较器和所述粗量化计数器之间的回路；所述粗量化计数器基于所述折叠积分的结果，确定粗量化转换结果，所述粗量化转换结果表征所需进行模数转换的位数中高M位比特数据；在细量化阶段，所述积分单元停止对所述电流进行折叠积分，所述时序控制开关单元控制所述计数器开关，导通所述比较器和所述细量化计数器之间的回路；所述细量化计数器基于所述折叠积分后的余量电压和所述细量化阶梯单元，确定细量化转换结果，所述细量化转换结果表征所需进行模数转换的位数中低N位比特数据；其中，所述转换单元、所述积分单元、所述比较器、所述粗量化计数器、所述细量化计数器的数量由所述红外焦平面阵列的大小决定，所述红外焦平面阵列共同一个所述细量化阶梯单元和一个时序控制单元。可选地，所述电路还包括：复位晶体管；所述转换单元包括：跨导放大器；所述积分单元包括：积分晶体管、积分电容；所述跨导放大器的同相端接收所述二极管探测器电压；所述跨导放大器的反相端接收所述盲端探测器电压；所述跨导放大器的输出端与所述积分晶体管的源极连接；所述积分晶体管的栅极接收控制信号；所述积分晶体管的漏极与所述积分电容的第一端、所述复位晶体管的漏极、所述比较器的同相端分别连接；所述复位晶体管的栅极与所述比较器的输出端连接；所述复位晶体管的源极接收复位电压；所述比较器的反相端接收参考电压；所述积分电容的第二端与所述细量化阶梯单元连接。可选地，所述计数器开关为单刀双掷开关；所述计数器开关的动端与所述比较器的输出端、所述复位晶体管的栅极分别连接；所述计数器开关的第一不动端与所述粗量化计数器连接；所述计数器开关的第二不动端与所述细量化计数器连接。可选地，所述细量化阶梯单元包括：多个电阻、多个选通开关、运算放大器；所述多个电阻的数量由所述低N位决定；所述多个选通开关的数量由所述低N位决定；所述多个电阻串联在所述积分电容的第二端与所述参考电压端之间，将所述积分电容的第二端上的电压至所述参考电压均匀分为2N个电压；所述多个电阻中每一个电阻的两端均连接有一个选通开关；所述多个选通开关中每一个选通开关的并联端均与所述运算放大器的同相端连接，所述并联端为选通开关不与电阻连接的一端；所述运算放大器的反相端与自身的输出端连接；所述多个选通开关受控于所述时序控制开关单元。可选地，在细量化阶段，所述时序控制开关单元控制所述计数器开关，导通所述比较器的输出端和所述细量化计数器之间的回路之后，所述时序控制开关单元按照从所述积分电容的第二端至所述参考电压端的顺序，依次选通串联电阻两端连接的选通开关，使得所述细量化阶梯单元产生阶梯电压。可选地，所述控制信号为高电平期间，所述积分晶体管导通，所述电路处于所述粗量化阶段；所述控制信号为低电平期间，所述积分晶体管断开，所述电路处于所述细量化阶段。可选地，在所述粗量化阶段，所述积分电容的第二端的电压为所述复位电压；在所述细量化阶段，所述积分电容的第二端的电压从所述复位电压开始阶梯状下降，按序每选通一次选通开关，所述复位电压下降一个所述阶梯电压；在所述积分电容的第二端的电压从所述复位电压开始阶梯状下降的过程中，所述积分电容的第一端的电压从所述余量电压开始阶梯状下降，直至所述积分电容的第一端的电压低于所述参考电压，所述比较器翻转，输出低电平信号至所述细量化计数器和所述复位晶体管的栅极；所述细量化计数器接收所述低电平信号后，对从所述余量电压开始阶梯状下降，直至所述比较器翻转期间，所述余量电压下降的阶梯数量进行计数，得到所述低N位比特数据，所述阶梯数量表征所述余量电压下降了多少个阶梯电压，使得所述积分电容的第一端的电压低于所述参考电压；所述复位晶体管接收所述低电平信号后，对所述积分电容进行复位。可选地，所述电路完成一次模数转换所需的积分折叠次数为：2M+1次。可选地，所述复位电压下降的阶梯数量k2即为所述低N位比特数据，其表达式为：其中，VR为所述复位电压、Vref为所述参考电压、V余量为所述折叠积分后的余量电压。本专利技术实施例第二方面提供一种模数转换器，所述模数转换器包括：如上第一方面任一所述的电路。本专利技术提供的两步式读出电路，转换单元将二极管探测器电压与盲端探测器电压之间的电压差，转换为对应的电流，传输至积分单元；在粗量化阶段，积分单元对电流进行折叠积分，同时，时序控制开关单元控制计数器开关，导通比较器和粗量化计数器之间的回路；粗量化计数器基于折叠积分的结果，确定表征所需进行模数转换的位数中高M位比特数据的粗量化转换结果。而在细量化阶段，积分单元停止对电流进行折叠积分，即，此时整个读出电路只进行了2M次的折叠积分。时序控制开关单元控制计数器开关，导通比较器和细量化计数器之间的回路，断开比较器和粗量化计数器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种两步式读出电路，其特征在于，所述电路包括：转换单元、积分单元、比较器、粗量化计数器、细量化阶梯单元、细量化计数器、时序控制单元以及计数器开关；/n所述转换单元接收红外焦平面阵列中二极管探测器电压和盲端探测器电压，将所述二极管探测器电压与所述盲端探测器电压之间的电压差，转换为对应的电流，传输至所述积分单元；/n在粗量化阶段，所述积分单元对所述电流进行折叠积分，同时，所述时序控制开关单元控制所述计数器开关，导通所述比较器和所述粗量化计数器之间的回路；/n所述粗量化计数器基于所述折叠积分的结果，确定粗量化转换结果，所述粗量化转换结果表征所需进行模数转换的位数中高M位比特数据；/n在细量化阶段，所述积分单元停止对所述电流进行折叠积分，所述时序控制开关单元控制所述计数器开关，导通所述比较器和所述细量化计数器之间的回路；/n所述细量化计数器基于所述折叠积分后的余量电压和所述细量化阶梯单元，确定细量化转换结果，所述细量化转换结果表征所需进行模数转换的位数中低N位比特数据；/n其中，所述转换单元、所述积分单元、所述比较器、所述粗量化计数器、所述细量化计数器的数量由所述红外焦平面阵列的大小决定，所述红外焦平面阵列共同一个所述细量化阶梯单元和一个时序控制单元。/n...

【技术特征摘要】
1.一种两步式读出电路，其特征在于，所述电路包括：转换单元、积分单元、比较器、粗量化计数器、细量化阶梯单元、细量化计数器、时序控制单元以及计数器开关；
所述转换单元接收红外焦平面阵列中二极管探测器电压和盲端探测器电压，将所述二极管探测器电压与所述盲端探测器电压之间的电压差，转换为对应的电流，传输至所述积分单元；
在粗量化阶段，所述积分单元对所述电流进行折叠积分，同时，所述时序控制开关单元控制所述计数器开关，导通所述比较器和所述粗量化计数器之间的回路；
所述粗量化计数器基于所述折叠积分的结果，确定粗量化转换结果，所述粗量化转换结果表征所需进行模数转换的位数中高M位比特数据；
在细量化阶段，所述积分单元停止对所述电流进行折叠积分，所述时序控制开关单元控制所述计数器开关，导通所述比较器和所述细量化计数器之间的回路；
所述细量化计数器基于所述折叠积分后的余量电压和所述细量化阶梯单元，确定细量化转换结果，所述细量化转换结果表征所需进行模数转换的位数中低N位比特数据；
其中，所述转换单元、所述积分单元、所述比较器、所述粗量化计数器、所述细量化计数器的数量由所述红外焦平面阵列的大小决定，所述红外焦平面阵列共同一个所述细量化阶梯单元和一个时序控制单元。


2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电路还包括：复位晶体管；所述转换单元包括：跨导放大器；所述积分单元包括：积分晶体管、积分电容；
所述跨导放大器的同相端接收所述二极管探测器电压；
所述跨导放大器的反相端接收所述盲端探测器电压；
所述跨导放大器的输出端与所述积分晶体管的源极连接；
所述积分晶体管的栅极接收控制信号；
所述积分晶体管的漏极与所述积分电容的第一端、所述复位晶体管的漏极、所述比较器的同相端分别连接；
所述复位晶体管的栅极与所述比较器的输出端连接；
所述复位晶体管的源极接收复位电压；
所述比较器的反相端接收参考电压；
所述积分电容的第二端与所述细量化阶梯单元连接。


3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述计数器开关为单刀双掷开关；
所述计数器开关的动端与所述比较器的输出端、所述复位晶体管的栅极分别连接；
所述计数器开关的第一不动端与所述粗量化计数器连接；
所述计数器开关的第二不动端与所述细量化计数器连接。


4.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述细量化阶梯单元包括：多个电阻、多个选通开关、运算放大器；
所述多个电阻的数量由所述低N位决定；
所述多个选通开关的数量由所述低N位决定；
所...

【专利技术属性】
技术研发人员：周晔，鲁文高，于善哲，张雅聪，陈中建，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11